U

Kernreactorbrandstof

Uraan (²³⁵U) is geschikt als brandstof (splijtstof) voor kernreac­toren. Meestal wordt het toegepast in de vorm van het oxide UO₂. Dit heeft een grote chemische stabiliteit en een hoog smelt­punt.

De splijtstof wordt verpakt in hulzen van roestvrijstaal, zirkonium of een legering van zirkonium.

Kernsplijting kan optreden als ²³⁵U-kernen neu­tro­nen invangen, bijvoorbeeld volgens:

                                      235
92U   + n  -->   91
36Kr  +  143
56Ba + 2n

Hierbij komt een grote hoeveelheid energie vrij, evenals nieuwe vrije neutronen. Deze kunnen op hun beurt ook weer kernen splijten. Onder de juiste omstandigheden kan zo een ketting­reactie ontstaan.

Een voorwaarde is daarbij dat de splijtstof over voldoende splijtbare kernen moet beschikken. Dit is te realiseren door natuurlijk uraan te verrijken (zie tabblad 'bereiding') of door andere splijt­bare kernen (bijvoorbeeld ²³³U of ²⁴¹Pu) toe te voegen.

Een andere voorwaarde is dat de snelheid van de neutro­nen niet te groot is. In kernreactoren remt men daarom de neutronen af met behulp van een mode­ra­tor, bijvoor­beeld water of grafiet.

Het vermogen van de reactor is te regelen via de hoeveel­heid beschikbare neutronen. Daarvoor wordt gebruik gemaakt van regelstaven van een sterk neutro­nenabsorberend materiaal (zoals cadmium-, hafnium- of boorver­bindingen).

In de splijtstofstaven zelf mogen juist geen neutro­nenabsorberende stoffen aanwezig zijn. Om dit te bereiken zijn speciale schei­dingsme­thoden voorhanden, zoals ionenwis­se­ling en vloeistof-vloei­stofextractie. Daarmee zijn de concentraties cadmi­um-, hafnium-, gadolinium- of boorverbindingen te verlagen tot onder 0,1 ppm.

Bij gebruik in de reactor stijgt de concentratie van neutronenadsorberende stoffen in de splijtstofstaven. Deze worden daarom regelmatig vervangen. De gebruikte staven gaan naar een opwerkingsfabriek

Bij het splitsen van ²³⁵U-kernen komt ongeveer 1 à 2,5 miljoen keer zoveel energie vrij als bij verbranding van vergelijkbare hoeveelheden fossiele brandstof.

De eerste kernreactor (foto) werd op 2 december 1942 onder leiding van de Italiaans-Amerikaanse natuurkundige Enrico Fermi in gebruik genomen op de Universiteit van Chicago. Er werd 6 ton uraan , 50 ton uraanoxide en 400 ton grafiet voor gebruikt. Vanwege het stralingsgevaar heeft de reactor maar korte tijd gewerkt, maar lang genoeg om te bewijzen dat het mogelijk was een kettingreactie te onderhouden en grote hoeveelheden energie vrij te maken.

Ook ²³³U kan als splijtstof voor kernreactoren dienen; zie hiervoor element 90 - thorium.

Kernkweekmateriaal

Een kweekreactor produceert niet alleen energie maar ook nieuw splijtbaar materiaal. Dit betekent dus een vergroting van de hoeveelheid winbare energie per gram benut uraan. Uiteindelijk kan dit wel een factor honderd vergroot worden.

Uit uraan-238 is volgens onderstaande route plutonium-239 te kweken:               

                         238
92U   + n  -->   239
92U

                         239
92U          -->   239
93Np + e

                                  239
93Np       -->   239
94Pu + e

In een kweekreactor mogen de vrijkomende neutronen niet worden geremd; alleen snelle neutronen produceren voldoende plutonium.

Contragewicht

Uraan heeft een hoge dichtheid. Een kubieke decimeter (een liter) weegt meer dan negentien kilo, dat is bijna twee keer zoveel als lood. Het is (als verarmd uraan - uraan238) veel toegepast als contragewicht in het staartstuk van vliegtuigen. In oudere types van de Boeing 747 werd daarvoor ongeveer 400 kg verarmd uranium verwerkt. De laatste jaren wordt uraan steeds meer vervan­gen door wolfraam.

Ook in helikopters en raketten vind je verarmd uraan. En in munitie, onder andere in de koppen van anti-pantsergranaten en in kogels. Door de grote dichtheid hebben granaten en kogels met een relatief kleine diameter hetzelfde effect als veel grotere projectielen van ander materiaal.

Gyrokompas

Bij de navigatie van schepen maakt men gebruik van een gyrokompas. Daarin bevindt zich een zeer snel draaiende tol (6.000 - 24.000 omwentelingen per minuut), waarvan de as zich richt naar de aardas. Een tol met een grote traagheid maakt het kompas minder gevoelig voor de bewegingen van het schip. Daarom wordt materiaal gebruikt met een zeer grote dichtheid, zoals ver­armd uraan.

Glaskleuring

Uraanver­bindingen geven glas een gele of geelgroene fluoresce­rende kleur. Deze methode van glaskleuring bestond al in de tijd van de Romeinen. In Napels is uraangekleurd glas gevonden uit het jaar 79.

Meer toepassingen

Als element en in legeringen

• atoombom
• bepantsering (legeringen met verarmd uraan)
• beschermend metaal tegen straling, in de lucht­vaartin­dustrie en in ziekenhuizen
• raketonderdelen
• röntgenbuis

In verbindingen

• contrastmiddel bij elektronenmicroscoop       U­O₂(CH₃COO)₂
• kleurstof voor porselein                                  UO₂ diverse uraanzouten
• ouderdomsbepaling                                       (via de verhouding van ²³³U, ²³⁵U en ²³⁸U)
• verven van textiel                                           UO₂(NO₃)₂ .

Naam

De naam uraan is afgeleid van de planeet Uranus, op zijn beurt vernoemd naar de Griekse god Ouranus, die samen met Gaea het oudste godenpaar vormt. De ontdekking van deze planeet in 1781 (door Herschel) had diepe indruk gemaakt in weten­schap­pelijke kringen. Boven­dien was Uranus de verst van de aarde gelegen (bekende) planeet en uraan het element met de grootste atoommassa (en op dat moment het laatste in de lijst van elementen).

In het Nederlands taalgebied is de wat formele benaming uraan zo goed als verdrongen door uranium, dat ook de Engelse benaming voor het element is.

Ontdekking

Uraan werd in 1789 ontdekt door de Duitse scheikundige Martin Heinrich Klaproth (foto) in het mineraal pekblende. Achteraf bleek het om het oxide van uraan te gaan.

In 1841 was de Franse chemicus Eugène-Melchior Péligot de eerste die metallisch uraan verkreeg, door het verhitten van uraantetrachloride met kalium.

Voorkomen

Voor wat betreft het voorkomen is uraan een heel gemiddeld element. Het staat op nummer 49 in de lijst van meest voorkomende elementen in de aardkorst, met een gewichtsaandeel van 2,7.10^-4 %. Uraan is een groot aantal mineralen te vinden. De belangrijkste zijn:

• autuniet of uraanglimmer                    CaO(UO₂)₂(PO₄)₂.10-12H₂O
• branneriet                                           (U,Ca,Y,Ce)(Ti,Fe)₂O₆
• carnotiet                                             K₂(UO₂)₂V₂O₈.3H₂O
• coffiniet                                               U(SiO₄)_1-x(OH)_4x
• curiet                                                  Pb₂U₅O₁₇.4H₂O
• joliotiet                                                (UO₂)CO₃.nH₂O
• kasoliet                                               Pb(UO₂)SiO₄.H₂O
• pekblende of uraniniet (foto)              UO₂
• thoriet                                                 (Th,U)SiO₄
• tjujamuniet                                          CaO(UO₂)₂.V₂O₈.5-8H₂O
• uranofan                                             CaO(UO₂)₂[SiO₃(OH)₂]₂.5H₂O

Winning

De belangrijkste wingebieden voor uraanhoudende ertsen of -mineralen­ liggen in Canada (Ontario), Zuid-Afrika, Australië, Democratische Republiek Congo, de Verenigde Staten van Amerika (Colorado), Namibië, Niger, Brazilië, Frankrijk, Argentinië en Rusland. 

Vroeger

De Franse chemicus Eugène-Melchior Péligot verkreeg in 1841 het eerste metallisch uraan. Hij wist uraanoxide met behulp van chloorgas om te zetten in uraniumtetrachloride, waaruit hij vervolgens via reductie met kalium elementair uraan kon maken.

Tegenwoordig

Vanwege de grote behoefte aan uraan voor nucleaire toepassingen zijn zeer geavanceerde scheidingsmethoden ontwikkeld. Daarmee is het element ook vrij te maken uit ertsen met een zeer laag uraangehalte.

Nadat het erts is voorbehandeld gaat de bereiding van start met een procedure voor volledige oxidatie, bijvoorbeeld met mangaan(IV)oxide of geconcentreerd salpeterzuur. Dit leidt ertoe dat alle aanwezige uraanverbin­dingen zijn omgezet in oplosbare uranylcomplexen.

De uranylionen (UO₂²⁺) zijn vervolgens zeer selectief af te scheiden via procedures gebaseerd op ionenwis­se­ling en vloeistofextractie. Indampen leidt vervolgens tot zuivere uranylzouten, die bij 300 °C worden omgezet in uraan(VI)oxide. Bij 700 °C is daar met waterstof zuiver uraan(IV)oxide van te maken.

Door reductie met natrium, kalium, magnesium, calcium, calciumhydride of aluminium verkrijgt men vervolgens het metaal. Het is ook mogelijk uraan(IV)oxide met waterstoffluoride om te zetten in uraatetrafluoride en dat met calcium of magnesium tot het metaal te reduceren. Tenslotte is het metaal te verkrijgen via elektroly­se van het gesmol­ten oxide, fluoride of chloride.

Verrijken van natuurlijk uraan

Natuurlijk uraan is ongeschikt als splijtstof ('brandstof') voor kernreactoren. Het bestaat voor minder dan driekwart procent uit het goed splijtbare ²³⁵U. De rest is onbruikbaar ²³⁸U.

Met het 'verrijken' van uraan wordt het proces aangeduid om het gehalte ²³⁵U te verhogen tot ongeveer drie procent, zodat het bruikbaar is in kernreactoren.

Een bekende methode maakt gebruik van het principe van ultracentrifuge. Hiervoor wordt uraanerts eerst omgezet in uraanhexafluoride (UF₆). Dit verloopt via het omzetten van uraanoxide tot uraantetrafluoride (met waterstoffluori­de), en vervolgens tot uraniumhexaf­luoride (met fluor):

                        UO₂ + 4 HF     -->  UF₄  + 2 H₂O 

                        UF₄ + F₂         -->  UF₆

De verbinding met fluor resulteert in een uraangas dat geschikt is voor isotopenscheiding. Fluor is namelijk niet alleen een erg licht element, het komt bovendien slechts voor als één natuurlijke isotoop. Massaverschillen tussen UF₆ moleculen berusten daarom uitsluitend op de massaverschillen tussen de uraanisoto­pen (235 respectievelijk 238 massa-eenheden).

Hiervan wordt gebruik gemaakt in speciale ultracentrifuges. Deze zijn in staat het aandeel van moleculen met ²³⁵U te vergroten door met ca. 60.000 - 100.000 omwentelingen per mi­nuut te draaien. Door de centrifugale kracht verplaatsen de zwaarde­re moleculen (met ²³⁸U) zich naar de buitenwand. In het midden van de centrifuge stijgt dus het gehalte van moleculen met ²³⁵U. Dit licht verrijkte gas wordt afgezogen en vervolgens opnieuw gecentrifugeerd. Door dit procédé in een cascade van centrifuges (foto) vele malen te herhalen is uiteindelijk uraanhexafluoride met voldoende ²³⁵U te verkrijgen.

Uit het verrijkte uraanhexafluoride is weer elementair uranium te maken via reductie met waterstofchloride of jood tot uraniumtetrafluoride, dat vervolgens (bijvoorbeeld met calcium) wordt gereduceerd tot uranium.